CNT和C60富勒烯通过充当石墨烯片层之间的纳米级间隔体，防止石墨烯重新堆叠。它们的加入增大了层间距，保持了可利用的表面积，并形成可供锂离子嵌入和脱出的微空隙。因此，与在干燥和电极制备过程中发生重新堆叠的石墨烯纳米片相比，石墨烯基负极的比容量可提高约40%。
其核心机制在于结构：CNT和C60使石墨烯片层保持分离，从而保留锂离子可接触的表面和扩散通道，而这些结构通常会因重新堆叠而丧失。
石墨烯纳米片为何会重新堆叠
干燥会消除初始分离状态
剥离后的石墨烯片层最初以分散状态存在，表面相对容易接触。然而，在干燥过程中，相邻片层之间的吸引力会使它们重新靠拢。
这种重新堆叠会减小层间距，使高表面积的纳米片网络转变为更加致密的结构。
重新堆叠会限制锂的存储
当石墨烯片层紧密聚拢时，暴露在电解液中的表面会减少。同时，锂离子嵌入和脱出的通道也会受到更多限制。
结果是，石墨烯结构中能够可逆参与电化学存储的部分减少，从而限制了实际比容量。
CNT和C60如何保持石墨烯结构
CNT提供一维间隔作用
碳纳米管形成细长的一维结构，可以位于相邻石墨烯片层之间。其几何形状有助于撑开片层，并防止大面积的面对面接触。
CNT还可以形成相互连接的导电网络。这不仅能在电极内部提供额外的电子传输通道，还有助于保持纳米片彼此分离的结构。
C60形成点状分离
像C60这样的富勒烯可充当零维纳米碳间隔体。它们分布在石墨烯片层之间，在局部位置阻断片层之间的直接接触。
虽然其几何形状与CNT不同，但作用目的相似：C60有助于保持层间分离，防止纳米片塌缩成紧密重新堆叠的结构。
混合结构形成微空隙
石墨烯、CNT或C60组分会形成更加开放的网络，并产生额外空隙。这些微空隙为电解液渗透和锂离子移动提供了空间。
它们还能保留更多石墨烯表面用于电化学反应，从而增加能够为容量作出贡献的活性材料数量。
负极容量为何会提高
更多表面保持电化学可接触状态
与致密重新堆叠的石墨烯相比，未重新堆叠的石墨烯结构能够向电解液暴露更多表面积。更大的暴露面积使锂离子能够到达更多存储位点。
因此，容量提升主要来自保持可利用的结构，而不是简单地增加碳材料。
锂离子传输受到的限制更少
增大的层间距减少了紧密堆积的石墨烯片层造成的物理阻碍。锂离子可以更容易地穿过电极，并进入混合网络中的嵌入位点。
这有助于在充放电过程中实现更加可逆的锂离子嵌入和脱出。
保持电子连通性
CNT能够在电极内部构建连续的导电框架。这可以改善电子传输，并降低活性结构部分区域发生电隔离的可能性。
更广泛的CNT复合材料原理同样适用于金属氧化物电极，其中导电CNT网络可以改善电荷转移、倍率性能和机械稳定性。在石墨烯混合结构中，这种导电连通性能够补充其主要的防止重新堆叠功能。
电极加工为何重要
浆料混合必须充分
CNT和C60必须在石墨烯基浆料中保持均匀分布。混合不充分可能导致局部团聚，并形成即使存在间隔体，石墨烯片层仍会重新堆叠的区域。
因此，均匀分散是结构与性能关系的一部分，而不仅仅是制造细节。
辊压必须受到控制
压实可以提高电极密度以及与集流体的接触，但压力过大会压塌为锂离子提供可利用空间的微空隙。受控辊压有助于保留关键的开放结构。
因此，电极必须在机械结合力与保持层间距及内部空隙之间取得平衡。
理解其中的权衡
更加开放的结构可能降低电极密度
防止重新堆叠可以增加可利用的表面积和孔体积，但也可能使电极的堆积密度降低。材料层面的较高质量比容量并不一定会在整个电极或电池层面带来同等程度的提升。
必须同时优化电极密度和结构可利用性。
间隔体必须均匀分散
CNT或C60发生团聚会降低混合设计的有效性。团聚的纳米碳可能占据空间，却无法在石墨烯片层之间维持均匀分离。
这就是浆料配方和混合质量会直接影响预期容量增益的原因。
制造过程中可能失去结构保持效果
即使设计良好的石墨烯-CNT或石墨烯-C60粉末，也可能在干燥或压实过程中失去其优势。如果加工过程使空隙网络塌缩，电极的表现可能更接近重新堆叠的石墨烯。
所报告的容量提升取决于电极制备过程中能否保留预期的纳米级结构。
根据目标做出正确选择
具体设计重点取决于优先考虑容量、传输性能还是可制造性。
- 如果您的首要目标是最大化锂存储容量：使用CNT或C60保持石墨烯片层分离、表面可接触，并保留锂离子可进入的微空隙。
- 如果您的首要目标是电子传输和倍率性能：优先采用均匀分散的CNT网络，为电极内部提供相互连接的导电通道。
- 如果您的首要目标是在制造过程中保持电极性能：进行充分的浆料混合并采用受控辊压，以防止团聚和空隙结构塌缩。
- 如果您的首要目标是实现实际的电池层面性能：应结合电极密度、加工条件、循环性能和倍率性能评估混合结构，而不能只依赖材料层面的比容量。
通过防止石墨烯重新堆叠，同时保留导电通道和锂离子可进入的传输路径，CNT和C60能够将石墨烯纳米片转变为更加高效的高容量负极结构。
总结表：
| 机制 | 对石墨烯结构的影响 | 对负极容量的益处 |
|---|---|---|
| CNT作为一维间隔体 | 撑开片层，形成导电网络 | 保持表面可接触性，改善电子传输 |
| C60作为零维间隔体 | 阻断面对面接触 | 保持层间距，形成微空隙 |
| 形成微空隙 | 形成具有更多孔隙的开放网络 | 增强电解液渗透和锂离子扩散 |
| 受控加工 | 实现均匀分散，避免结构塌缩 | 确保结构优势转化为电极性能 |
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